CN110514322B - 一种高精度温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度温度传感器，包括模数转换器，模数转换器包括采样放大电路，采样放大电路包括第一开关电容阵列电路、电压输入端A1、电压输入端A2、电压输出端A3，第一开关电容阵列电路包括多个开关S21、多个采样电容C1，每一开关S21的第一动触点分别与电压输入端A1电连接，每一开关S21的第二动触点分别与电压输入端A2电连接，每一开关S21的静触点分别与一个采样电容C1的第一端电连接，每一采样电容C1的第二端分别与电压输出端A3电连接。本发明具有高精度、低功耗、可单点校准的特点。

Description

一种高精度温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器领域，具体是一种高精度温度传感器。

背景技术

随着物联网时代的到来，各种可穿戴和可植入生物的医学设备开始长期用于检测人体健康，其中，应用温度传感器对人体体温进行测量，更是一项检测人体健康的重要手段。因此，人们对应用于体温测试的温度传感器测温精度的要求越来越高，例如，需要温度传感器在37℃至39℃这个温度范围内达到±0.1℃的测温精度，或者，在低于37℃和高于39℃的温度范围内达到±0.2℃的精度。

通常，高精度智能温度传感器是由传感器前端电路和模数转换器组成，其中，传感器前端电路通过晶体管例如PNP型晶体管进行测量温度，将温度信号转换为与温度信号成线性关系的电压或电流，然后将与温度信号成线性关系的电压或电流输入给模数转换器，模数转换器对输入的电压或电流进行采样，然后进行量化处理后输出离散的数字量，例如二进制编码，即温度码，所以，模数转换器量化的精度越高即温度传感器分辨率越高，量化过程中的量化误差越小，高分辨率的需求导致模数转换器的设计难度、工作量和功耗消耗越大。

现有技术中，一般采用sigma-delta模数转换器来设计高精度温度传感器，该模数转换器对表征温度的系数值μ进行量化，

其中，μ的温度范围在-273℃至330℃之间，但是商用芯片工艺线各种器件模型的温度范围为-40℃至125℃，α为对ΔVBE进行放大的系数，ΔVBE为与温度成正比例线性关系的电压，VBE为与温度成反比例线性关系的电压。为了满足温度传感器在温度范围为-40℃至125℃内达到±0.1℃的测温精度，需sigma-delta模数转换器达到16位的分辨率，进一步增加了高精度温度传感器的设计难度和功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗、可单点校准的高精度温度传感器。

为了实现上述的目的，本发明提供的一种高精度温度传感器包括传感器前端电路和模数转换器，传感器前端电路与模数转换器电连接，传感器前端电路包括电源电压输入端VDD、第一电流源电路、第二电流源电路、三极管Q1以及三极管Q2，电源电压输入端VDD分别与第一电流源电路以及第二电流源电路的输入端电连接，第一电流源电路的输出端与三极管Q1的发射极电连接，第二电流源电路的输出端与三极管Q2的发射极电连接，三极管Q1的基极和三极管Q2的基极接地，三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极接地，模数转换器包括采样放大电路和动态电容匹配模块，采样放大电路包括第一开关电容阵列电路、电压输入端A1、电压输入端A2、电压输出端A3，第一开关电容阵列电路包括多个开关S21、多个电容C1，每一开关S21的第一动触点分别与电压输入端A1电连接，每一开关S21的第二动触点分别与电压输入端A2电连接，每一开关S21的静触点分别与一个电容C1的第一端电连接，每一电容C1的第二端分别与电压输出端A3电连接，每一开关S21分别接收动态电容匹配模块输出的控制信号。

由上述可知，本实施例能够通过电容动态匹配模块根据BS输出的不同值进行判断后向采样放大电路输出不同的控制信号，分别对传感器前端电路产生的电压进行采样放大。

进一步的方案是，模数转换器还包括Σ-Δ调制器、数字滤波器，电压输出端A3和电压输出端B3分别与Σ-Δ调制器电连接，Σ-Δ调制器分别向数字滤波器和动态匹配模块输出BS值，动态匹配模块通过判断Σ-Δ调制器输出的BS值，分别向每一开关S21、S22输出控制信号，数字滤波器对Σ-Δ调制器输出的BS值进行计数得到系数值μ’。

可见，本方案通过动态电容匹配模块根据BS的值对开关S11、开关S12、开关S13、以及开关S14输出控制信号，达到对下一时钟周期时传感器前端电路10输出的电压进行放大的倍数进行控制的目的。

进一步的方案是，系数值μ’为

其中，K1为第一开关电容阵列电路的第一放大系数，K2为第一开关电容阵列电路的第二放大系数，K3为第一开关电容阵列电路的第三放大系数，α为对ΔVBE进行放大的系数，ΔVBE为与温度成正比例线性关系的电压值，VBE为与温度成反比例线性关系的电压值。

可见，本方案中的系数值μ’为

相对于相对现有技术的温度传感器的系数值

来说，放大了G倍，且在直角坐标系上来说，系数值μ’在y轴的坐标上纵向移动了C的距离值，其中

使得模数转换器的分辨率不用达到16位分辨率也能满足使温度传感器在所需的某一或某几温度区(甚至同时覆盖某几温区可实现覆盖全温区)的测量精度为±0.1℃的要求，达到满足温度传感器测量精度在所需的某一或某几温区为±0.1℃要求的同时降低功耗以及减小模拟电路设计难度和工作量的目的。

进一步的方案是，Σ-Δ调制器30包括电压输入端A4、电压输入端B4、电压输出端A5、电压输出端B5、积分电路33、比较器U30、信号输出端E，积分电路33包括开关S31、开关S41、积分电容C3、开关S32、斩波器U21、运算放大器U20、斩波器U22、开关S33、开关S43、积分电容C4、开关S42，其中，电压输入端A4与电压输出端A3电连接，电压输入端B4与电压输出端B3电连接。电压输入端A4与斩波器U21电连接，斩波器U21与运算放大器U20电连接，运算放大器U20与斩波器U22电连接，电压输出端A5和电压输出端B5分别和斩波器U22电连接，比较器U30分别与电压输出端A5和电压输出端B5电连接，比较器U30与信号输出端E电连接,开关S31的第一端和开关S41的第一端分别和电压输入端A4、B4电连接，开关S33的第二端与积分电容C3的第一端电连接，积分电容C3的第二端和开关S31的第二端分别与比较器U30电连接，开关S32的第一端与积分电容C3的第一端电连接，开关S32的第二端与积分电容C3电连接,开关S41的第一端和开关S43的第一端分别和电压输入端B4电连接，开关S43的第二端与积分电容C4的第一端电连接，积分电容C4的第二端和开关S42的第二端分别与比较器U30电连接，开关S42的第一端与积分电容C4的第一端电连接，开关S42的第二端与积分电容C4电连接。

可见，Σ-Δ调制器能够对传感器前端电路输出的电压进行积分和判断处理后输出BS值。

进一步的方案是，第一电流源电路包括MOS管M3和单刀双掷开关S1，MOS管M3的源极与电源电压输入端VDD电连接，MOS管M3的漏极与单刀双掷开关S1的静触点电连接，单刀双掷开关S1的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S1的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接。

可见，通过第一电流源电路能够为传感器前端电路提供稳定的偏置电流。

进一步的方案是，第二电流源电路包括MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6，电源电压输入端VDD分别与MOS管M4的源极、MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极、MOS管M8的源极电连接，MOS管M4的漏极与单刀双掷开关S2的静触点电连接，单刀双掷开关S2的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S2的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接，MOS管M5的漏极与单刀双掷开关S3的静触点电连接，单刀双掷开关S3的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S3的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接，MOS管M6的漏极与单刀双掷开关S4的静触点电连接，单刀双掷开关S4的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S4的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接，MOS管M7的漏极与单刀双掷开关S5的静触点电连接，单刀双掷开关S5的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S5的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接，MOS管M8的漏极与单刀双掷开关S6的静触点电连接，单刀双掷开关S6的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S6的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接，MOS管M3的栅极与MOS管M4栅极电连接，MOS管M4栅极与MOS管M5栅极电连接，MOS管M5栅极与MOS管M6栅极电连接，MOS管M6栅极与MOS管M7栅极电连接，MOS管M7栅极与MOS管M8栅极电连接。

可见，通过第二电流源电路能够为传感器前端电路提供稳定的偏置电流。

进一步的方案是，传感器前端电路设有动态电流镜匹配模块，动态电流镜匹配模块分别与单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6电连接

可见，动态电流镜匹配模块通过分别控制单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6降低了电流镜电路中六个MOS管之间电流的不匹配，使得从三极管Q1的发射极能够输出精确的电压，从三极管Q2的发射极也能够输出精确的电压。

进一步的方案是，传感器前端电路设有偏置电路，偏置电路包括MOS管M1、MOS管M2、运算放大器U1、三极管Q3、电阻R1、电阻R2、三极管Q4，电源电压输入端VDD分别与MOS管M1的源极以及MOS管M2的源极电连接，MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极电连接，MOS管M2的栅极与MOS管M3的栅极电连接，MOS管M1的漏极与三极管Q3的发射极电连接，MOS管M2的漏极与电阻R1的第一端电连接，运算放大器U1的输出端分别与MOS管M1的栅极以及MOS管M2的栅极电连接，运算放大器U1的异相输入端与三极管Q3的发射极电连接，运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端与三极管Q4的发射极电连接，三极管Q3的基极与电阻R2的第一端电连接，电阻R2的第二端与三极管Q4的基极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q4的集电极接地。

可见，偏置电流能够为传感器前端电路提供稳定的偏置电流和偏置电压。

进一步的方案是，传感器前端电路还可以设有选择器、电压输出端A以及电压输出端B，三极管Q2的发射极与选择器的第一输入端电连接，三极管Q2的发射极与选择器的第一输入端电连接，三极管Q1的发射极与选择器的第二输入端电连接，选择器的第一输出端与电压输出端A电连接，选择器的第一输出端与电压输出端B电连接。

可见，通过在传感器前端电路设有选择器，起到进一步产生精确的电压的作用。

附图说明

图1是本发明的高精度温度传感器实施例的第一结构框图。

图2是本发明的高精度温度传感器实施例的传感器前端电路的电原理图。

图3是本发明的高精度温度传感器实施例的采样放大电路的电原理图。

图4是本发明的高精度温度传感器实施例的Σ-Δ调制器的电原理图。

图5是本发明的高精度温度传感器实施例的第二结构框图。

图6是现有技术的温度传感器的系数值μ与温度之间的关系图。

图7是本发明的高精度温度传感器实施例的系数值μ′与温度之间的关系图。

具体实施方式

参见图1，本发明的高精度温度传感器包括传感器前端电路10以及模数转换器20。本实施例中采用的模数转换器20为sigma-delta模数转换器。

传感器前端电路10包括电源电压输入端VDD、第一电流源电路2、第二电流源电路4、三极管Q1以及三极管Q2，电源电压输入端VDD分别与第一电流源电路2以及第二电流源电路4的输入端电连接，第一电流源电路2的输出端与三极管Q1的发射极电连接，第二电流源电路4的输出端与三极管Q2的发射极电连接，三极管Q1的基极和三极管Q2的基极接地，三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极接地。电源电压通过电源电压输入端VDD向传感器前端电路10输入电压。优选的，本实施例中的三极管Q1和三极管Q2的面积比例设置为1：1。

其中，如图2所示，第一电流源电路2包括MOS管M3和单刀双掷开关S1，MOS管M3的源极与电源电压输入端VDD电连接，MOS管M3的漏极与单刀双掷开关S1的静触点电连接，单刀双掷开关S1的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S1的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接。

第二电流源电路4包括MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6，电源电压输入端VDD分别与MOS管M4的源极、MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极、MOS管M8的源极电连接，MOS管M4的漏极与单刀双掷开关S2的静触点电连接，单刀双掷开关S2的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S2的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接；MOS管M5的漏极与单刀双掷开关S3的静触点电连接，单刀双掷开关S3的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S3的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接；MOS管M6的漏极与单刀双掷开关S4的静触点电连接，单刀双掷开关S4的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S4的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接；MOS管M7的漏极与单刀双掷开关S5的静触点电连接，单刀双掷开关S5的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S5的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接；MOS管M8的漏极与单刀双掷开关S6的静触点电连接，单刀双掷开关S6的第一动触点与三极管Q1的发射极电连接，单刀双掷开关S6的第二动触点与三极管Q2的发射极电连接。

优选的，MOS管M3的栅极与MOS管M4栅极电连接，MOS管M4栅极与MOS管M5栅极电连接，MOS管M5栅极与MOS管M6栅极电连接，MOS管M6栅极与MOS管M7栅极电连接，MOS管M7栅极与MOS管M8栅极电连接。

传感器前端电路10设有动态电流镜匹配模块6，动态电流镜匹配模块6分别与单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6电连接。MOS管M1、MOS管M2、MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8组成一个电流镜电路开始工作后，由于本实施例中动态电流镜匹配模块6为数字电路，能够通过6位数字信号分别控制单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6的导通，动态电流镜匹配模块6中有1位数字信号与其他5位数字信号反相，即单刀双掷开关S1的静触点与第一动触点导通时，单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6的静触点与第二动触点导通。这样，动态电流镜匹配模块6通过分别控制单刀双掷开关S1、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6降低了电流镜电路中六个MOS管之间电流的不匹配，使得从三极管Q1的发射极能够输出精确的电压，从三极管Q2的发射极也能够输出精确的电压。

参见图2，传感器前端电路10设有偏置电路5，偏置电路5分别与第一电流源电路2以及第二电流源电路4电连接。偏置电路5包括MOS管M1、MOS管M2、运算放大器U1、三极管Q3、电阻R1、电阻R2、三极管Q4，其中，电源电压输入端VDD分别与MOS管M1的源极以及MOS管M2的源极电连接，MOS管M1的栅极与MOS管M2的栅极电连接，MOS管M2的栅极与MOS管M3的栅极电连接，MOS管M1的漏极与三极管Q3的发射极电连接，MOS管M2的漏极与电阻R1的第一端电连接，运算放大器U1的输出端分别与MOS管M1的栅极以及MOS管M2的栅极电连接，运算放大器U1的异相输入端与三极管Q3的发射极电连接，运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端与三极管Q4的发射极电连接，三极管Q3的基极与电阻R2的第一端电连接，电阻R2的第二端与三极管Q4的基极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q4的集电极接地。

优选的，偏置电路5中的三极管Q3和三极管Q4的面积比例设置为1:1，且三极管Q1和三极管Q2的面积为三极管Q3和三极管Q4的面积的2倍，起到产生稳定的偏置电流的目的。且电阻R1和电阻R2的电阻值比例设置为5:1，MOS管M1和MOS管M2的面积比例设置为5:1，起到了补偿三极管Q3和三极管Q4的正向电流增益的影响。本实施例中的偏置电流5还设有斩波器U2和斩波器U3，斩波器U2和斩波器U3分别与运算放大器U1电连接，斩波器U2和斩波器U3起到减少运放放大器U1的偏移电压(offset)的作用。

传感器前端电路10还可以设有选择器8、电压输出端A以及电压输出端B，三极管Q1的发射极与选择器8的第一输入端电连接，三极管Q2的发射极与选择器8的第二输入端电连接，选择器8的第一输出端与电压输出端A电连接，选择器8的第二输出端与电压输出端B电连接，电压输出端A和电压输出端B分别与模数转换器20电连接，选择器8通过电压输出端A向模数转换器20输出电压VBE1、选择器8通过电压输出端B向模数转换器20输出电压VBE2。本实施例中的选择器8是数据选择器，起到了保持电压输出端A一直输出电压VBE1、保持电压输出端B一直输出电压VBE2的作用。

传感器前端电路10工作时，电源电压通过电源电压输入端VDD输入电压至传感器前端电路10，偏置电路5开始工作，为传感器前端电路10提供稳定的偏置电压和偏置电流，从电源电压输入端VDD分别输出电压给电流源电路2和电流源电路4，电流I1从电流源电路2流入三极管Q1的发射极，电流I2从电流源电路4流入三极管Q2的发射极，其中，电流I1的值与电流I2的值之比为1：5,从三极管Q1输出电压VBE1至模数转换器20，从三极管Q2输出电压VBE2至模数转换器20。其中，电压VBE1和电压VBE2与温度成反比例线性关系。

由上述可知，传感器前端电路10能够通过三极管Q1将温度转换为与温度成反比例线性关系的电压VBE1，传感器前端电路10能够通过三极管Q2将温度转换为与温度成反比例线性关系的电压VBE2，实际情况下，由于存在非线性因素，电压VBE1和电压VBE2与温度成近似线性关系。

下面对模数转换器20的具体结构进行介绍，参见图1,模数转换器20包括虚拟模块21、Σ-Δ调制器30、数字滤波器40、动态电容匹配模块50，三极管Q1向虚拟模块21输入电压VBE1，三极管Q2向虚拟模块21输入电压VBE2，虚拟模块21分别对电压VBE1和电压VBE2进行采样、放大后输出给模块转换电路30，Σ-Δ调制器30对输入的两个电压进行采样、相减、积分以及比较处理后，分别向数字滤波器40、动态电容匹配模块50输出BS值，动态匹配电容模块50根据接收到的BS值向虚拟模块21输出控制信号，数字滤波器40对Σ-Δ调制器30输出的BS值进行计数后输出系数值μ′。

本实施例中的虚拟模块21包括采样放大模块22、开关S11、开关S12、开关S13、开关S14、第一放大模块24、第二放大模块25、第三放大模块26、第四放大模块27。其中，采样放大模块22用于将接收到的电压VBE1和电压VBE2进行相减计算后得到电压ΔVBE并对电压ΔVBE进行放大α倍，第一放大模块24用于将输入的电压进行放大K1倍；第二放大模块25用于将输入的电压进行放大K3倍，第三放大模块26用于将输入的电压进行放大K2倍，第四放大模块27用于将输入的电压进行放大K4倍，开关S11用于控制采样放大模块22和第一放大模块24是否工作，开关S12用于控制采样放大模块22和第二放大模块25是否工作，开关S13用于控制第三放大模块26是否工作，开关S14用于控制第四放大模块27是否工作。

优选的，本实施例中的动态电容匹配模块50是数字电路，能够通过判断输入的BS的值，分别向开关S11、开关S12、开关S13、以及开关S14输出控制信号。例如，当BS＝0时，动态电容匹配模块50分别向开关S11、开关S12、开关S13、开关S14输出控制信号，开关S11和开关S13闭合，采样放大模块22、第一放大模块24和第三放大模块26工作；当BS＝1时，动态电容匹配模块50分别向开关S11、开关S12、开关S13、开关S14输出控制信号，开关S12和开关S14闭合，采样放大模块22、第二放大模块25和第四放大模块27工作。这样，通过动态电容匹配模块50根据BS的值对开关S11、开关S12、开关S13、以及开关S14输出控制信号，达到对下一时钟周期时传感器前端电路10输出的电压进行放大的倍数进行控制的目的。

本实施例中虚拟模块21的各个模块的采样、放大功能实际上由采样放大电路60实现，如图3所示，采样放大电路60包括第一开关电容阵列电路61、第二开关电容阵列电路62、电压输入端A1、电压输入端A2、电压输入端B1、电压输入端B2、电压输出端A3以及电压输出端B3。电压输入端A1、电压输入端A2和电压输入端B1、电压输入端B2通过开关分别与三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极以及地电连接，开关由时钟信号Φ1、时钟信号Φ2控制，不同开关闭合时电压输入端A1、电压输入端A2、电压输入端B1、电压输入端B2分别连接到电压VBE1或者电压VBE2或者地。

具体的，当时钟信号Φ1为高电平时，电压输入端A1接地，电压输入端A2连接至三极管Q2的发射极，即连接到电压VBE2；当时钟信号Φ2为高电平时，电压输入端A1连接至三极管Q2的发射极，即连接到电压VBE2，电压输入端A2连接至三极管Q1的发射极，即连接到电压VBE1。相应的，当时钟信号Φ1为高电平时，电压输入端B1连接至三极管Q2的发射极，即连接到电压VBE2，电压输入端B2连接至三极管Q1的发射极，即连接到电压VBE1；当时钟信号Φ2为高电平时，电压输入端B1接地，电压输入端B2连接至三极管Q2的发射极，即连接到电压VBE2。

第一开关电容阵列电路61包括多个开关S21、多个采样电容C1，每一开关S21的第一动触点分别与电压输入端A1电连接，每一开关S21的第二动触点分别与电压输入端A2电连接，每一开关S21的静触点分别与一个采样电容C1的第一端电连接，每一采样电容C1的第二端分别与电压输出端A3电连接，每一开关S21分别接收动态电容匹配模块50输出的控制信号。实际上，本实施例中第一开关电容阵列电路61包括的多个开关S21为图3中的开关{S21，1}至开关{S21，x}，其中，x为根据不同的放大系数而确定的开关S21的数量。第一开关电容阵列电路61包括的多个采样电容C1为图3中采样电容{C1，1}至采样电容{C1，x}，其中，x为根据不同的放大系数而确定的采样电容C1的数量。例如，放大系数为K2，则开关S21和采样电容C1的数量为K2，K2个开关S21为图3中的开关{S21，1}至开关{S21，K2}，K2个采样电容C1为图3中的采样电容{C1，1}至采样电容{C1，K2}。

第二开关电容阵列电路62包括多个开关S22、多个采样电容C2，每一开关S22的第一动触点分别与电压输入端B1电连接，每一开关S22的第二动触点分别与电压输入端B2电连接，每一开关S22的静触点分别与一个采样电容C2的第一端电连接，每一采样电容C2的第二端分别与电压输出端B3电连接，每一开关S22分别接收动态电容匹配模块50输出的控制信号。其中，每一电容C1的电容值为单位电容值，每一采样电容C2的电容值为单位电容值。实际上，本实施例中第二开关电容阵列电路62包括的多个开关S22为图3中的开关{S22，1}至{S22，x}，其中，x为根据不同的放大系数而确定的开关S22的数量。第二开关电容阵列电路62包括的多个采样电容C2为图3中采样电容{C2，1}至采样电容{C2，x}，其中，x为根据不同的放大系数而确定的采样电容C2的数量。以本实施例为例，本实施例需要同时产生的放大倍数为αK1和K2、αK3和K4，x取(αK1+K2)和(αK3+K4)两者中大的那者，即，如果(αK1+K2)>(αK3+K4),x取(αK1+K2)的值。

优选的，本实施例中第一开关电容阵列61和第二开关电容阵列62组成了一个差分电路，抗干扰能力更强。

采样放大电路60工作时以第一开关电容阵列电路61来进行说明，具体地，动态电容匹配模块50判断输入的BS值后向多个开关S21输出控制信号。当BS＝0，时钟信号Φ1为高电平时，开关{S21，1}至开关{S21，x}由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，开关{S21，1}至开关{S21，K2}的静触点与第一动触点闭合，连接到电压输入端A1，电压输入端A1此时连接到地；紧接着，时钟信号Φ2为高电平时，开关{S21，1}至开关{S21，x}由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，开关{S21，1}至开关{S21，K2}的静触点与第一动触点闭合，连接到电压输入端A1，电压输入端A1此时连接到电压VBE2(未使用到的电容由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，通过对应的开关连接到共模电平，不产生电荷量的变化)；使得电容{C1,1}至电容{C1,K2}上积累的电荷量为Q＝-K2×Cunit×VBE2；

当BS＝0，时钟信号Φ1为高电平时，开关{S21，1}至开关{S21，x}由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，开关{S21，(K2+1)}至开关{S21，(αK1-K2-1)}的静触点与第一动触点闭合，连接到电压输入端A2,电压输入端A2连接到电压VBE2；紧接着，时钟信号Φ2为高电平时，开关{S21，1}至开关{S21，x}由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，开关{S21，(K2+1)}至开关{S21，(αK1-K2-1)}的静触点与第一动触点闭合，连接到电压输入端A2，电压输入端A2此时连接到电压VBE1(未使用到的电容由动态电容匹配模块50输出的控制信号控制，通过对应的开关连接到共模电平，不产生电荷量的变化)；使得采样电容{C1，(K2+1)}至采样电容{C1，(αK1-K2-1)}上的电荷量为Q＝αK1×Cunit×(VBE2-VBE1)＝αK1×Cunit×ΔVBE；

以上积累的电荷在时钟信号Φ2为高电平时，全部转移到积分电容C3上；积分电容C3上的电荷量变为Q＝αK1×Cunit×ΔVBE-K2×Cunit×VBE。这样，通过将采样电容C1或采样电容C2上的电荷搬移到积分电容C3上，即在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5产生了输出电压。

可见，采样放大模块22和放大模块24工作时，在第一开关电容阵列电路61中通过多个开关S21接入数量为α×K1的电容C1对电压VBE1和电压VBE2同时进行采样后，对采样后输出的电压ΔVBE进行放大α×K1倍，通过将采样电容C1上的电荷搬移到积分电容C3上，即在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5产生输出电压。

采样放大模块22和放大模块25工作时，在第一开关电容阵列电路61中通过多个开关S21接入数量为α×K3的电容C1对电压VBE1和电压VBE2同时进行采样后，对采样后输出的电压ΔVBE进行放大α×K3倍，通过将采样电容C1上的电荷搬移到积分电容C3上，即在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5产生了输出电压。

放大模块26工作时，在第一开关电容阵列电路61中通过多个开关接入数量为K2的电容对电压VBE2进行采样后，对采样后输出的电压VBE2进行放大K2倍，通过将采样电容C1上的电荷搬移到积分电容C3上，即在积分电路33的电压输出端A5和B5产生了输出电压。

放大模块27工作时，在第一开关电容阵列电路61中可通过多个开关接入数量为K4的电容对电压VBE2进行采样后，对采样后输出的电压VBE2进行放大K4倍，通过将采样电容C1上的电荷搬移到积分电容C3上，即在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5产生了输出电压。

本实施例中，α是一个固定的增益系数(由使用工艺的三极管特性决定)，根据实际情况选择合适数量的采样电容C1来实现。K1、K2、K3以及K4分别是一个可调整的放大系数，可以根据不同的温度范围对接入电路的采样电容C1数量进行调整来实现的。

参见图4，Σ-Δ调制器30包括电压输入端A4、电压输入端B4、积分电路33、电压输出端A5、电压输出端B5、比较器U30、信号输出端E，积分电路33包括开关S31、开关S41、积分电容C3、开关S32、斩波器U21、运算放大器U20、斩波器U22、开关S33、开关S43、积分电容C4、开关S42，其中，电压输入端A4与图3中的电压输出端A3电连接，电压输入端B4与图3中的电压输出端B3电连接。电压输入端A4和电压输入端B4分别与斩波器U21电连接，斩波器U21与运算放大器U20电连接，运算放大器U20与斩波器U22电连接，斩波器U22分别与电压输出端A5和电压输出端B5电连接，电压输出端A5和电压输出端B5分别与比较器U30电连接，比较器U30与信号输出端E电连接,开关S31的第一端和开关S41的第二端分别和电压输入端A4电连接，开关S33的第二端与积分电容C3的第一端电连接，积分电容C3的第二端和开关S31的第二端分别与比较器U30电连接，开关S32的第一端与积分电容C3的第一端电连接，开关S32的第二端与积分电容C3电连接,开关S41的第一端和开关S43的第二端分别和电压输入端B4电连接，开关S43的第二端与积分电容C4的第一端电连接，积分电容C4的第二端和开关S42的第二端分别与比较器U30电连接，开关S42的第一端与积分电容C4的第一端电连接，开关S42的第二端与积分电容C4电连接。其中，开关S32和开关S42分别在控制信号rst为高电平时闭合，开关S31和开关S41在时钟信号Φ1为高电平时闭合，开关S33和开关S43在时钟信号Φ2为高电平时闭合，斩波器U21和斩波器U22起到在运算放大器U20进行运放工作时减少运算放大器U20的偏移电压(offset)，从而减少该偏移电压对温度传感器测温精度的影响；运算放大器U20具有利用虚拟地，即图4中的电压输入端A4和电压输入端A5，不断的将输入端的电荷尽量无损的搬运到输出端的作用。

时钟信号Φ1为高电平时，电荷通过电压输入端A1、电压输入端A2、电压输入端B1、电压输入端B2以及被选中的开关S21和开关S22转移到选中的采样电容C1和采样电容C2上；再在时钟信号Φ2为高电平时，开关S33和S43闭合，被采样到采样电容C1和采样电容C2上的电荷通过电压输入端A4和电压输入端B4转移到积分电容C3和C4上。

这样，积分电路33在输出端A5和B5产生输出电压，并输出给比较器U30，比较器U30比较A5端和B5端的两个输入电压值的大小后通过信号输出端E输出BS值。

优选的，比较器U30分别与动态电容匹配模块50以及数字滤波器40电连接，这样，比较器U30能够分别将BS值输出给动态电容匹配模块50和数字滤波器40，数字滤波器40对输入的BS值中序号值为1的个数进行计数，然后数字滤波器40输出系数值μ′，其中，数字滤波器40进行计数的周期数由模数转换器30的分辨率大小决定。

下面介绍模数转换器20工作时，如何计算出温度传感器的系数值μ′的算法公式。模数转换器20开始工作时，当BS值为0时，开关S11和开关S13闭合，采样放大模块22、第一放大模块24以及第三放大模块26开始工作，从三极管Q1的发射极输出电压VBE1至采样放大电路60，从三极管Q2输出电压VBE2至采样放大电路60，采样放大模块22和第一放大模块24开始工作，同时对电压VBE1和电压VBE2进行采样放大处理，在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5输出αK1×ΔVBE；第三放大模块26开始工作，对电压-VBE2进行放大处理，输出K2倍的电压-VBE2，在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5输出-K2×VBE2。然后比较器U30输出BS值至数字滤波器40，数字滤波器40根据接收到的BS值输出系数值μ’。此时，Σ-Δ调制器30中的积分电路33处于充电状态，积分电路33累计转移的电荷量的公式是Q0＝Cint×(αK1×ΔVBE-K2×VBE)，其中，Q0是BS为0时，积分电路33累计转移的电荷量，Cint为图4中积分电容C3、图3中采样电容{C1，1}、采样电容{C2，x}的单位电容值，α为采样放大模块22的放大系数，ΔVBE为电压ΔVBE的电压值，K1为第一放大模块24的放大系数，K2为第三放大模块26的放大系数，VBE为电压VBE2的电压值。

当BS值为1时，开关S12和开关S14闭合，采样放大模块22、第二放大模块25以及第四放大模块27开始工作，从三极管Q1的发射极输出电压VBE1至采样放大电路60，从三极管Q2的发射极输出电压VBE2至采样放大电路60，采样放大模块22和第二放大模块25开始工作，同时对电压VBE1和电压VBE2进行采样放大处理，在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5输出α×K3倍的电压ΔVBE至Σ-Δ调制器30；第四放大模块27开始工作，对电压-VBE2进行放大处理，在积分电路33的电压输出端A5和电压输出端B5输出K4倍的电压-VBE2至Σ-Δ调制器30。然后从Σ-Δ调制器30输出BS值至数字滤波器40，数字滤波器40根据接收到的BS值输出系数值μ’。此时，Σ-Δ调制器30中的积分电路33处于放大状态，积分电路33累计转移的电荷量的公式是Q0＝Cint×(αK3×ΔVBE-K4×VBE)，其中，Q0是BS为1时，积分电路33累计转移的电荷量，Cint为图4中积分电容C3、图3中采样电容{C1,1}、采样电容{C2,1}的单位电容值，α为采样放大模块22的放大系数，ΔVBE为电压ΔVBE的电压值，K1为第一放大模块24的放大系数，K2为第三放大模块26的放大系数，VBE为电压VBE2的电压值。

这样，当积分电路33的积分周期足够大时，积分电路33的充电时累计转移的电荷量和放电时累计转移的电荷量相加的总和为零即Q0＝Q1，可以得到公式(Ntotoal-N1)×Cint×(αK1×ΔVBE-K2×VBE)+N1×Cint×(αK3×ΔVBE-K4×VBE)＝0，其中，Ntotoal为积分电路33总的时钟周期，N1为BS值为1时，积分电路33的时钟周期。

由于本实施例中的模数转换器20是Sigma-Delta模数转换器，且现有的Sigma-Delta模数转换器的分辨率为16位时，温度传感器在全温区的精度才能达到±0.1℃，根据Sigma-Delta ADC模数转换器可以得到已知公式有

其中，μ’为本实施例中系数值，Ntotoal为积分电路33总的时钟周期，N1为BS值为1时，积分电路33的时钟周期。

这样，将公式(Ntotoal-N1)×Cint×(αK1×ΔVBE-K2×VBE)+N1×Cint×(αK3×ΔVBE-K4×VBE)＝0代入已知公式

中，可以得到

其中,由于本实施例中的系数值μ′的范围为0-1,需满足K1>K3,K4>K2,K1-K3＝K2-K4。

整理上述公式可以得到

可以令公式中的

由于K1、K2、K3以及K4都是常数，则G和C也是常数。可以看出，本实施例中得到的系数值μ’相对现有技术的系数值

来说，放大了G倍，且在直角坐标系上来说，系数值μ’在y轴的坐标上纵向移动了C的距离值，使得系数值μ’的值控制在0-1的范围内。

优选的，当第二放大模块25的放大系数K3和第三放大模块26的放大系数K2都为0,第一放大模块24的放大系数K1和第四放大模块27的放大系数K4都为1时，即只存在采样放大模块22、第一放大模块24、第四放大模块工作的情况。可以得到如图4所示的结构框图，其中，图5所示的结构框图相对于图1所示的结构框图来说，虚拟模块21内不设有第二放大模块25、第三放大模块26、开关S12以及开关S13。这样，将K1＝K4＝1、K2＝K3＝0分别代入公式

中，得到的系数值μ’为

可见，第二放大模块25的放大系数K1和第三放大模块26的放大系数K2都为0,第一放大模块24和第四放大模块27的系数都为1时，本实施例中得到的系数值μ’与现有技术的系数值μ相同。

图6是现有技术的温度传感器的系数值与温度之间的关系图，其中，系数值μ的范围为0-1，温度T的范围为-40℃至125℃即全温区的温度范围，系数值μ随着温度T的增加而变大。由于此时的现有技术的温度传感器的系数值为

现有技术的温度传感器需要在温度范围-40℃至125℃下达到±0.1℃的测温精度，仍需模数转换器达到16位的分辨率。由于，在本实施例中的系数值

在K1＝K4＝1、K2＝K3＝0的情况下与现有技术的系数值相同，可以看出，本实施例的温度传感器可以通过改变K1、K2、K3、K4的值来重新设计电路即本实施例的温度传感器可以进行单点校准，使得温度传感器在不改变模数转换器20的分辨率的情况下也能够实现在不同的温度范围内实现不同的测温精度。

图7是本实施例的系数值与温度之间的关系图，其中，系数μ’的范围为0-1，温度T的范围为30℃至45℃，即体温区的温度范围，稳定系数μ’随着温度T的增加而变大，且本实施例中的系数值μ’随温度T变化的变化量是现有技术的系数值μ随温度T变化的变化量的G倍。

由上述可知，本实施例中的系数值μ’相对应现有的系数值μ在温度T的范围为30℃至45℃放大了G倍，使得在温度T的范围为30℃至45℃下时，排除温度传感器内各个电路模块的误差影响，模数转换器20的分辨率不用达到16位的分辨率也能使得温度传感器满足测温精度为±0.1℃的要求，例如，在温度T的范围为30℃至45℃的情况下时，模数转换器20的分辨率达到12位的分辨率也能使得温度传感器满足测温精度为±0.1℃的要求，达到提高温度传感器的测温精度的同时降低温度传感器的功耗的目的。

由于本实施例中的系数值μ’中，系数值μ’的大小与常数G有关，使得本可以通过调整K1、K2、K3以及K4的值即调整第一放大模块24、第二放大模块25、第三放大模块26以及第四放大模块27的放大系数可以达到在不同的温度范围内进行放大的效果，使得用户可以针对不同的温度范围，通过调整K1、K2、K3以及K4的值来对传感器前端电路10输出的电压进行采样放大，降低了对模数转换器20分辨率的需求，且能够使得用户根据对不同温度范围下的测温精度的需求对温度传感器的重新设计的成本进一步降低，还能够在不改变模数转换器20的分辨率的情况下也能够实现温度传感器在不同的温度范围内实现不同的测温精度。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高精度温度传感器，包括传感器前端电路和模数转换器，所述传感器前端电路与所述模数转换器电连接，所述传感器前端电路包括电源电压输入端VDD、第一电流源电路、第二电流源电路、三极管Q1以及三极管Q2，所述电源电压输入端VDD分别与所述第一电流源电路以及所述第二电流源电路的输入端电连接，所述第一电流源电路的输出端与所述三极管Q1的发射极电连接，所述第二电流源电路的输出端与所述三极管Q2的发射极电连接，所述三极管Q1的基极和所述三极管Q2的基极接地，所述三极管Q1的集电极和三极管Q2的集电极接地，其特征在于：

所述模数转换器包括采样放大电路和动态电容匹配模块，所述采样放大电路包括第一开关电容阵列电路、电压输入端A1、电压输入端A2、电压输出端A3，所述第一开关电容阵列电路包括多个开关S21、多个采样电容C1，每一所述开关S21的第一动触点分别与电压输入端A1电连接，每一所述开关S21的第二动触点分别与电压输入端A2电连接，每一所述开关S21的静触点分别与一个采样电容C1的第一端电连接，每一采样电容C1的第二端分别与电压输出端A3电连接，每一所述开关S21分别接收所述动态电容匹配模块输出的控制信号；

所述模数转换器还包括Σ-Δ调制器、数字滤波器，所述电压输出端A3和电压输出端B3分别与所述Σ-Δ调制器电连接，所述Σ-Δ调制器分别向所述数字滤波器和所述动态电容匹配模块输出BS值，所述动态匹配模块接收所述Σ-Δ调制器输出的BS值后，分别向每一所述开关S21输出控制信号，所述数字滤波器接收所述Σ-Δ调制器输出的BS值后输出系数值μ’；

所述第一电流源电路包括MOS管M3和单刀双掷开关S1，所述MOS管M3的源极与所述电源电压输入端VDD电连接，所述MOS管M3的漏极与所述单刀双掷开关S1的静触点电连接，所述单刀双掷开关S1的第一动触点与所述三极管Q1的发射极电连接，所述单刀双掷开关S1的第二动触点与所述三极管Q2的发射极电连接；

所述第二电流源电路包括单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6，所述单刀双掷开关S2、所述单刀双掷开关S3、所述单刀双掷开关S4、所述单刀双掷开关S5、所述单刀双掷开关S6的第一动触点均与所述三极管Q1的发射极电连接，所述单刀双掷开关S2所述单刀双掷开关S3、所述单刀双掷开关S4、所述单刀双掷开关S5、所述单刀双掷开关S6的第二动触点均与所述三极管Q2的发射极电连接；

所述传感器前端电路设有动态电流镜匹配模块，所述动态电流镜匹配模块分别与所述单刀双掷开关S1、所述单刀双掷开关S2、所述单刀双掷开关S3、所述单刀双掷开关S4、所述单刀双掷开关S5、所述单刀双掷开关S6电连接，所述动态电流镜匹配模块为数字电路，并通过6位数字信号分别控制所述单刀双掷开关S1、所述单刀双掷开关S2、所述单刀双掷开关S3、所述单刀双掷开关S4、所述单刀双掷开关S5、所述单刀双掷开关S6的导通，且6位数字信号中有1位数字信号与其他5位数字信号反相。

2.根据权利要求1所述的一种高精度温度传感器，其特征在于：

所述系数值μ’为

其中，K1为所述第一开关电容阵列电路的第一放大系数，K2为所述第一开关电容阵列电路的第二放大系数，K3为所述第一开关电容阵列电路的第三放大系数，α为对ΔVBE进行放大的系数，ΔVBE为与温度成正比例线性关系的电压值，VBE为与温度成反比例线性关系的电压值。

3.根据权利要求1所述的一种高精度温度传感器，其特征在于：

所述Σ-Δ调制器包括电压输入端A4、电压输入端B4、积分电路33、电压输出端A5、电压输出端B5、比较器U30、信号输出端E，所述积分电路33包括开关S31、开关S41、积分电容C3、开关S32、斩波器U21、运算放大器U20、斩波器U22、开关S33、开关S43、积分电容C4、开关S42，所述电压输入端A4和所述电压输入端B4分别与所述斩波器U21电连接，所述斩波器U21与所述运算放大器U20电连接，所述运算放大器U20与所述斩波器U22电连接，所述斩波器U22分别与所述电压输出端A5和电压输出端B5电连接，所述电压输出端A5和电压输出端B5分别与所述比较器U30电连接，所述比较器U30与所述信号输出端E电连接，所述开关S31的第一端和所述开关S41的第二端分别和所述电压输入端A4电连接，所述开关S33的第二端与所述积分电容C3的第一端电连接，积分电容C3的第二端和开关S31的第二端分别与比较器U30电连接，开关S32的第一端与积分电容C3的第一端电连接，开关S32的第二端与积分电容C3电连接,开关S41的第一端和开关S43的第一端分别和电压输入端B4电连接，开关S43的第二端与积分电容C4的第一端电连接，积分电容C4的第二端和开关S42的第二端分别与比较器U30电连接，开关S42的第一端与积分电容C4的第一端电连接，开关S42的第二端与积分电容C4电连接；

所述开关S32和所述开关S42分别在控制信号rst为高电平时闭合，所述开关S31和所述开关S41在时钟信号Φ1为高电平时闭合，所述开关S33和所述开关S43在时钟信号Φ2为高电平时闭合。

4.根据权利要求1所述的一种高精度温度传感器，其特征在于：

所述第二电流源电路包括MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6、MOS管M7、MOS管M8、单刀双掷开关S2、单刀双掷开关S3、单刀双掷开关S4、单刀双掷开关S5、单刀双掷开关S6，所述电源电压输入端VDD分别与MOS管M4的源极、MOS管M5的源极、MOS管M6的源极、MOS管M7的源极、MOS管M8的源极电连接，所述MOS管M4的漏极与所述单刀双掷开关S2的静触点电连接，所述MOS管M5的漏极与所述单刀双掷开关S3的静触点电连接，所述MOS管M6的漏极与所述单刀双掷开关S4的静触点电连接，所述MOS管M7的漏极与所述单刀双掷开关S5的静触点电连接，所述MOS管M8的漏极与所述单刀双掷开关S6的静触点电连接，所述MOS管M3的栅极与所述MOS管M4栅极电连接，所述MOS管M4栅极与所述MOS管M5栅极电连接，所述MOS管M5栅极与所述MOS管M6栅极电连接，所述MOS管M6栅极与所述MOS管M7栅极电连接，所述MOS管M7栅极与所述MOS管M8栅极电连接。

5.根据权利要求4所述的一种高精度温度传感器，其特征在于：

所述传感器前端电路设有偏置电路，所述偏置电路包括MOS管M1、MOS管M2、运算放大器U1、三极管Q3、电阻R1、电阻R2、三极管Q4，所述三极管Q3和所述三极管Q4的面积比例设置为1:1，且所述三极管Q1和所述三极管Q2的面积为所述三极管Q3和所述三极管Q4的面积的2倍，所述电阻R1和所述电阻R2的电阻值比例设置为5:1，所述MOS管M1和所述MOS管M2的面积比例设置为5:1，所述电源电压输入端VDD分别与所述MOS管M1的源极以及所述MOS管M2的源极电连接，所述MOS管M1的栅极与所述MOS管M2的栅极电连接，所述MOS管M2的栅极与所述MOS管M3的栅极电连接，所述MOS管M1的漏极与所述三极管Q3的发射极电连接，所述MOS管M2的漏极与所述电阻R1的第一端电连接，所述运算放大器U1的输出端分别与所述MOS管M1的栅极以及所述MOS管M2的栅极电连接，所述运算放大器U1的异相输入端与所述三极管Q3的发射极电连接，所述运算放大器U1的同相输入端与电阻R1的第一端电连接，电阻R1的第二端与三极管Q4的发射极电连接，三极管Q3 的基极与电阻R2的第一端电连接，电阻R2的第二端与三极管Q4的基极接地，三极管Q3的集电极与三极管Q4的集电极接地。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种高精度温度传感器，其特征在于：

所述传感器前端电路还可以设有选择器、电压输出端A以及电压输出端B，所述三极管Q2的发射极与所述选择器的第一输入端电连接，所述三极管Q2的发射极与所述选择器的第一输入端电连接，所述三极管Q1的发射极与所述选择器的第二输入端电连接，所述选择器的输出端与所述电压输出端A电连接，所述选择器的第二输出端与所述电压输出端B电连接。

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